DE102009022097B4 - Composition and method of making ITO powders or ITO coatings - Google Patents
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Abstract
Zusammensetzung zur Herstellung von ITO-Pulvern oder ITO-Beschichtungen, enthaltend a) mindestens eine Indium-Verbindung der Formel I R2 2InR3 (I)wobei R2 ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend geradkettige oder verzweigte Alkyle mit 1 bis 8 C-Atomen und R3 ein Ligand ist, welcher über O, N oder S mit dem Indium verbunden ist; und b) mindestens eine bimetallische Verbindung der Formel III R4 2In(OR5)3Sn(III)wobei R4 und R5 gleich oder verschieden sind und für einen linearen oder verzweigten Alkyl-Rest mit 1 bis 8 C-Atomen stehen.Composition for the production of ITO powders or ITO coatings, containing a) at least one indium compound of the formula I R2 2InR3 (I) where R2 are selected from the group containing straight-chain or branched alkyls having 1 to 8 carbon atoms and R3 Is a ligand which is connected to the indium via O, N or S; and b) at least one bimetallic compound of the formula III R4 2In (OR5) 3Sn (III) where R4 and R5 are identical or different and represent a linear or branched alkyl radical having 1 to 8 carbon atoms.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung von ITO-Pulvern oder ITO-Beschichtungen, insbesondere Zusammensetzungen, welche auf sogenannten Single-Source-Precursoren beruhen.The invention relates to a composition and a process for the preparation of ITO powders or ITO coatings, in particular compositions based on so-called single-source precursors.
Stand der TechnikState of the art
Trotz der intensiven Forschungsarbeiten der letzten Jahrzehnte und der ständig wachsenden Bedeutung von ITO für industrielle Anwendungen sind immer noch wesentliche theoretische und technische Probleme nicht gelöst. So ist zwar die Optimierung der elektrischen Eigenschaften des Materials durch aufwendige Verfahren weit fortgeschritten, die genauen Leitfähigkeitsmechanismen dieses degenerierten n-Halbleiters bleiben jedoch weiterhin unklar, was besonders auf die Rolle und Funktion des eingebrachten Zinn zutrifft.Despite the intensive research of recent decades and the ever growing importance of ITO for industrial applications, significant theoretical and technical problems remain unresolved. Although the optimization of the electrical properties of the material by advanced methods is well advanced, the exact conductivity mechanisms of this degenerate n-type semiconductor remain unclear, which is particularly true of the role and function of the introduced tin.
Desweiteren mangelt es den heutigen Techniken häufig an der Reproduzierbarkeit und der Homogenität der Schichten. Besonders die Effektivität des Dotiermittels (Zinn) ist unzureichend, da große Teile des überschüssig eingebrachten Zinn nicht zur Leitfähigkeit der Schicht beitragen oder sogar durch Clusterbildung (z. B. an Korngrenzen) Streuzentren bilden, welche die elektrischen Eigenschaften des Materials mindern.Furthermore, today's techniques often lack the reproducibility and the homogeneity of the layers. In particular, the effectiveness of the dopant (tin) is insufficient, since large portions of the excess added tin do not contribute to the conductivity of the layer or even form clustering (eg at grain boundaries) scattering centers which reduce the electrical properties of the material.
Der heutzutage am meisten angewandte Prozess der ITO-Auftragung ist das sogenannte Sputtern, mit dem sich Schichten mit der besten optischen und elektrischen Qualität herstellen lassen. Hierfür werden jedoch kostspielige und aufwendige Vakuumapparaturen benötigt, welche die verwendeten Substrate (Glas, Polymer) in ihrer Größe und Form technisch bedingt einschränken und einen kontinuierlichen Beschichtungsprozess verhindern.The most widely used ITO application process today is sputtering, which produces coatings of the best optical and electrical quality. However, costly and expensive vacuum apparatuses are required for this purpose, which limit the size and shape of the substrates used (glass, polymer) and prevent a continuous coating process.
Alternativ zum Sputterverfahren bietet der Sol-Gel-Prozess eine größere Flexibilität bezüglich der Substratgröße und -Form (Dip-Coating, Spin-Coating, Sprühtechniken). Zudem können die Schichtparameter durch Variation der Lösungszusammensetzung gezielt eingestellt werden. Gleichzeitig besteht auch die Möglichkeit, das ITO in Pulverform herzustellen, das als Ausgangsprodukt für dispersionsbasierte Sole verwendet werden kann.As an alternative to the sputtering process, the sol-gel process offers greater flexibility in terms of substrate size and shape (dip-coating, spin-coating, spraying techniques). In addition, the layer parameters can be adjusted in a targeted manner by varying the solution composition. At the same time, it is also possible to produce the ITO in powder form, which can be used as the starting material for dispersion-based sols.
Bei ITO-Sol-Gel-Schichten spielt die Zusammensetzung der Beschichtungslösung eine entscheidende Rolle. Hierfür werden meist die Alkoxide oder Halogenide der Metalle Indium und Zinn in passenden stöchiometrischen Anteilen in einem (meist alkoholischen) Solvent gelöst und mit Additiven versehen. Diese sorgen unter anderem für eine gleichmäßige Schichtaufbringung auf dem Substrat. Die Löslichkeit der Indium- und der Zinnvorstufen ist dabei meist molekülbedingt unterschiedlich, so dass eine homogene Durchmischung beider Komponenten problematisch ist und unter Umständen nur durch die Zugabe weiterer Additive (anderes Solvent) gewährleistet werden kann.In the case of ITO sol-gel layers, the composition of the coating solution plays a decisive role. For this purpose, the alkoxides or halides of the metals indium and tin are usually dissolved in appropriate stoichiometric proportions in a (usually alcoholic) solvent and provided with additives. These ensure, among other things, a uniform layer application on the substrate. The solubility of the indium and the tin precursors is usually different due to the molecule, so that a homogeneous mixing of both components is problematic and can be ensured under certain circumstances only by the addition of further additives (other solvent).
Beim Auftragen der Lösung auf dem Substrat hydrolysieren und kondensieren die beiden Metallkomponenten unter Abspaltung der organischen oder der Halogenidliganden. Es bildet sich ein sogenanntes Xerogel. Dabei kann es aufgrund der unterschiedlichen Hydrolyseneigung der beiden Komponenten zu Phasenseparationen bzw. einer unzureichend homogenen Verteilung des Zinn in dem Indiumhaltigen Netzwerk kommen, die auch nur zum Teil durch intensive und lange Temperprozesse diffusionsgesteuert aufgehoben werden können.When the solution is applied to the substrate, the two metal components hydrolyze and condense with elimination of the organic or halide ligands. It forms a so-called xerogel. In this case, due to the different tendency to hydrolysis of the two components, phase separations or an insufficiently homogeneous distribution of the tin in the indium-containing network can occur, which can only be partially eliminated by intensive and long tempering processes in a diffusion-controlled manner.
In dem Xerogel sind noch immer große Teile an organischem Material vorhanden (Solvent, Alkoholreste etc.). Diese werde in der anschließenden Temperaturbehandlung entfernt (herausgebrannt). Ähnliches gilt für die äquivalenten Metallhalogenide, bei denen der abgespaltene Halogenidligand während der Temperaturbehandlung zumindest teilweise aus dem Schichtmaterial entfernt wird.In the xerogel are still large parts of organic material available (solvent, alcohol residues, etc.). This is removed in the subsequent temperature treatment (burned out). The same applies to the equivalent metal halides, in which the cleaved halide ligand is at least partially removed from the layer material during the temperature treatment.
Um ausreichende elektrische Leitfähigkeitswerte zu erreichen, sind für die Herstellung von ITO-Sol-Gel-Schichten zwei Temperschritte notwendig:
- – Auskristallisieren des Xerogels an Luft, bei dem auch verbleibende organische oder halogenidhaltige Reste bei hohen Temperaturen (meistens ca. 500°C) herausgebrannt werden (Calcinierung).
- – Reduzieren des Materials zur Erzeugung der erforderlichen Leitfähigkeit.
- - Crystallization of the xerogel in air, in which also remaining organic or halide-containing radicals at high temperatures (usually about 500 ° C) burned out (calcination).
- - Reduce the material to produce the required conductivity.
Dieser zweistufige Prozess hat einige Nachteile. So müssen die eingebrachten Fremdatome durch die Calcinierung entfernt werden. Dies stellt insbesondere bei der Verwendung von Halogenidverbindungen ein Problem dar. Diese Fremdatome reduzieren die Reinheit der erhaltenen ITO-Beschichtungen. Gleichzeitig wird unter diesen Bedingungen das Zinn zu Sn(IV) oxidiert.This two-step process has some disadvantages. Thus, the introduced foreign atoms must be removed by the calcination. This is especially true when using halide compounds Problem. These impurities reduce the purity of the obtained ITO coatings. At the same time, under these conditions, the tin is oxidized to Sn (IV).
Der zweite Schritt geschieht in einer reduzierenden Atmosphäre (H2, CO) bei erhöhter Temperatur (> 300°C). Dadurch werden Sauerstoffleerstellen in dem Oxidgitter erzeugt. Gleichzeitig werden die Metallkationen reduziert (InIII → InI → In0; SnIV → SnII Sn0).The second step takes place in a reducing atmosphere (H 2 , CO) at elevated temperature (> 300 ° C). This creates oxygen vacancies in the oxide grid. At the same time the metal cations are reduced (In III → In I → In 0 , Sn IV → Sn II Sn 0 ).
Durch die so entstandenen Sauerstoffleerstellen und den vorherigen Einbau von Sn4+-Kationen erhält das Material seine leitfähigen Eigenschaften und die reflektierenden Eigenschaften im infraroten Spektralbereich.The resulting oxygen vacancies and the previous incorporation of Sn 4+ cations give the material its conductive properties and reflective properties in the infrared spectral range.
Bei der Herstellung von ITO-Schichten (und -Pulvern) über den Sol-Gel-Prozess sind einige prozessbedingte Probleme zu bewältigen.The production of ITO layers (and powders) via the sol-gel process poses some process-related problems.
Diese beinhalten unter anderem die vollständige Auflösung und Durchmischung der beiden Metallvorstufen (Alkoxide, Halogenide) in dem vorgegebenen Solvent (z. B. Isopropanol), um eine homogene Zusammensetzung zu erhalten.Among other things, these include the complete dissolution and thorough mixing of the two metal precursors (alkoxides, halides) in the given solvent (eg isopropanol) in order to obtain a homogeneous composition.
Im eigentlichen Schritt des Sol-Gel-Prozesses kann es zu Phasenseparationen bzw. unzureichenden Durchmischungen der (hydrolysierten) Ausgangsmaterialien aufgrund von unterschiedlichen Hydrolyse- und Kondensationsneigungen kommen.In the actual step of the sol-gel process, phase separations or insufficient mixing of the (hydrolyzed) starting materials may occur due to different hydrolysis and condensation tendencies.
Die anschließenden Temperaturbehandlungen müssen in zwei Stufen durchgeführt werden (Kristallisation und Reduktion).The subsequent temperature treatments must be carried out in two stages (crystallization and reduction).
Im Reduktionsschritt ist weiterhin darauf zu achten, dass das Material nicht zu viel und zu lange reduziert wird und die Metalle somit elementar vorliegen und die Schicht schwärzen (”Überreduktion”).In the reduction step, care must also be taken to ensure that the material is not reduced too much and for too long and that the metals are thus elemental and blacken the layer ("overreduction").
Die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren für ITO-Schichten arbeiten alle nach dem Standardprinzip für ITO. Um eine optisch transparente und elektrisch leitfähige ITO-Schicht zu erhalten, muss ein kristallines Indiumoxidgitter vorgegeben werden, in welchem durch den Einbau von Sn4+-Ionen und einem anschließenden Reduktionsschritt (Bildung von Sauerstoffleerstellen) freie Elektronen zum Ladungstransport zur Verfügung gestellt werden. Dieser Reduktionsschritt erfolgt durch Temperung in einer reduzierenden Atmosphäre (N2/H2).The manufacturing processes for ITO layers described above all work according to the standard principle for ITO. In order to obtain an optically transparent and electrically conductive ITO layer, it is necessary to specify a crystalline indium oxide lattice in which free electrons are provided for charge transport by the incorporation of Sn 4+ ions and a subsequent reduction step (formation of oxygen vacancies). This reduction step is carried out by annealing in a reducing atmosphere (N 2 / H 2 ).
Bisweilen werden in der Literatur auch Temperungen unter Inertgasatmosphäre beschrieben. Dabei werden jedoch ausschließlich Sn(IV)-Edukte verwendet, oder die verwendeten Sn(II)-Edukte wurden zuvor durch Temperung unter oxidierender Atmosphäre (Luft) zu Sn(IV) umgewandelt. Der vorherrschende Effekt, der die gestiegene Leitfähigkeit erklärt, liegt also lediglich in der Bildung von Sauerstoffleerstellen durch den geringen Sauerstoffpartialdruck bei der Temperung unter Inertgas. Eine Änderung der Wertigkeit des Zinn kann nicht mehr eintreten, da es bereits in seiner stabilsten Form SnIV vorliegt und keine reduzierenden Bedingungen herrschen.Sometimes also anneals under an inert gas atmosphere are described in the literature. In this case, however, only Sn (IV) products are used, or the Sn (II) products used were previously by annealing under an oxidizing atmosphere (air) to Sn (IV) converted. The predominant effect, which explains the increased conductivity, is therefore only in the formation of oxygen vacancies due to the low oxygen partial pressure during annealing under inert gas. A change in the valence of the tin can no longer occur because it is already in its most stable form Sn IV and prevail no reducing conditions.
Um auch temperaturempfindliche Substrate beschichten zu können, geht ein anderer Ansatz von ITO-Pulvern aus, welche in eine Polymermatrix eingebettet werden. Dies erlaubt die Härtung bei moderaten Temperaturen. Die Herstellung solcher Pulver erfolgt meistens mittels Sol-Gel- oder Präzipitationstechniken.In order to be able to coat temperature-sensitive substrates, another approach is based on ITO powders, which are embedded in a polymer matrix. This allows curing at moderate temperatures. The preparation of such powders is mostly done by sol-gel or precipitation techniques.
Die Schrift
Auch die Schrift DGG-Glasforum Schott AG vom 19. Oktober 2005 beschreibt die Herstellung von ITO-Partikeln durch Cofällung.The document DGG-Glasforum Schott AG of October 19, 2005 describes the production of ITO particles by co-precipitation.
Aufgabetask
Aufgabe der Erfindung ist es eine Zusammensetzung anzugeben, welche die vorstehend angegebenen Probleme des Standes der Technik überwindet, insbesondere die unzureichende Durchmischung und der Phasenseparation der Komponenten in der Zusammensetzung oder im Xerogel. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von ITO-Beschichtungen und ITO-Pulver anzugeben.The object of the invention is to provide a composition which overcomes the above-mentioned problems of the prior art, in particular the insufficient mixing and the phase separation of the components in the composition or in the xerogel. It is another object of the invention to provide a method for the production of ITO coatings and ITO powder.
Lösung solution
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the inventions having the features of the independent claims. Advantageous developments of the inventions are characterized in the subclaims. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this specification. The invention also includes all reasonable and in particular all mentioned combinations of independent and / or dependent claims.
Die Aufgabe wird durch eine Zusammensetzung zur Herstellung von ITO-Pulvern oder ITO-Beschichtungen, enthaltend
- a) mindestens eine Indium-Verbindung der Formel I
R2 2InR3 (I) - b) mindestens eine bimetallische Verbindung der Formel III
R4 2In(OR5)3Sn (III)
- a) at least one indium compound of the formula I.
R 2 2 InR 3 (I) - b) at least one bimetallic compound of the formula III
R 4 2 (OR 5) 3 Sn (III)
Eine solche Zusammensetzung weist gleich in mehrfacher Hinsicht vorteilhafte Eigenschaften auf. So vermeidet die Zusammensetzung Mischungsprobleme der Indium-Verbindung und der Zinn-Verbindung. Das für die Dotierung benötigte Zinn kann entsprechend dem Anteil an der bimetallischen Verbindung gesteuert werden. Durch die Verwendung einer bimetallischen Verbindung wird auch gewährleistet, dass das Zinn bzw. die Zinnionen direkt in das Indiumoxidgitter eingebaut werden. Dadurch wird die Bildung von Clustern von Zinn vermieden.Such a composition has advantageous properties in several ways. Thus, the composition avoids mixing problems of the indium compound and the tin compound. The tin needed for the doping can be controlled according to the proportion of the bimetallic compound. The use of a bimetallic compound also ensures that the tin or tin ions are incorporated directly into the indium oxide lattice. This avoids the formation of clusters of tin.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Zinn in der bimetallischen Verbindung in der Oxidationsstufe +2 vor. Bei herkömmlichen Verfahrenstechniken wird das Zinn entweder direkt in seiner stabilsten Wertigkeit Sn4+ verwendet (z. B. SnCl4), oder es erfolgt eine Umwandlung von der metastabilen Phase Sn2+ zu Sn4+ während der Kristallisation im Luftofen. In beiden Fällen liegt das Zinn im Oxidgitter vierwertig vor (SnO2). Zur Gewährleistung der Ladungsträgerneutralität (substitutioneller Einbau von Sn4+ auf In3+-Positionen) wird zusätzlicher Sauerstoff auf Zwischengitterplätze eingebaut, der im nachfolgenden Reduktionsschritt teilweise wieder entfernt wird. Während dieses Reduktionsschrittes wird auch das Sn4+ weiter reduziert zu Sn2+ oder auch zu Sn0.In a preferred embodiment, the tin is present in the +2 oxidation state in the bimetallic compound. In conventional processing techniques, the tin is either used directly in its most stable valency Sn 4+ (eg, SnCl 4 ), or it is converted from the metastable phase Sn 2+ to Sn 4+ during crystallization in the air oven. In both cases, the tin is tetravalent in the oxide lattice (SnO 2 ). To ensure the charge carrier neutrality (substitutional incorporation of Sn 4+ on In 3+ positions), additional oxygen is incorporated into interstitial sites, which is partially removed in the subsequent reduction step. During this reduction step, the Sn 4+ is further reduced to Sn 2+ or to Sn 0 .
Zweiwertiges Zinn dagegen disproportioniert bei Temperaturen von über 300°C gemäß der folgenden Gleichung:
Diese Reaktion findet unter inerter Atmosphäre statt. Man erhält dadurch eine ähnliche Verteilung der Wertigkeit der Zinnionen im Indiumoxid wie bei bekannten ITO-Herstellungsprozessen, wobei jedoch nur ein Temperschritt notwendig ist und die Verwendung explosiver oder toxischer Gase (H2, CO) vermieden wird. Das entstandene metallische Sn0 liegt dabei nicht segregiert als zusätzliche Phase vor, sondern ist homogen und ohne Clusterbildung im Oxidmaterial verteilt. Desweiteren entfällt durch diese Technik der Einbau von interstitiellem Sauerstoff zum Erlangen der Ladungsträgerneutralität und seine anschließende Entfernung oder er wird zumindest überwiegend vermindert.This reaction takes place under an inert atmosphere. This gives a similar distribution of the valence of the tin ions in the indium oxide as in known ITO production processes, but only one annealing step is necessary and the use of explosive or toxic gases (H 2 , CO) is avoided. The resulting metallic Sn 0 is not segregated as an additional phase, but is distributed homogeneously and without clustering in the oxide material. Furthermore, this technique eliminates the incorporation of interstitial oxygen to achieve charge carrier neutrality and its subsequent removal, or it is at least predominantly reduced.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann allerdings ebenso in dem bereits beschriebenen zweistufigen Prozess (Calcinierung, Reduktion) behandelt werden. Auch nach diesem Prozess erhält man hochwertige ITO-Beschichtungen oder ITO-Pulver.However, the composition according to the invention can likewise be treated in the already described two-stage process (calcination, reduction). Even after this process, high-quality ITO coatings or ITO powders are obtained.
Als Indium-Verbindung werden Verbindung der Formel InR1 3 verwendet, wobei R1 gleich oder verschieden sein können. R1 ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe enthaltend geradkettige oder verzweigte Alkyl, Alkoxy und Carboxylreste, Halogenide, Amine, alkylierte Amine. Die Reste können auch untereinander verbunden sein, was zur Ausbildung von cyclischen Verbindungen führt, wie z. B. durch Chelatliganden (Ethandiol, Propandiol oder Ether dieser Verbindungen) oder Liganden, welche das Metallzentrum intramolekular stabilisieren können, wie z. B. Alkyl-Reste mit Hydroxylgruppen oder Ethergruppen.The indium compound used are compounds of the formula InR 1 3 , where R 1 may be identical or different. R 1 is preferably selected from the group consisting of straight-chain or branched alkyl, alkoxy and carboxyl radicals, halides, amines, alkylated amines. The remains can also be with each other be connected, which leads to the formation of cyclic compounds, such as. Example by chelating ligands (ethanediol, propanediol or ethers of these compounds) or ligands which can stabilize the metal center intramolecularly, such as. B. alkyl radicals having hydroxyl groups or ether groups.
Die bimetallische Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Metallzentren in einem Molekül vorliegen. Dadurch liegen die beiden Metallionen in einem festen Verhältnis vor. Die Verbindungen zwischen den Metallzentren können kovalent sein, beispielsweise durch verbrückende Liganden. Sie können aber auch ionisch oder koordinativ sein, d. h. beispielsweise durch Koordination eines Elektronendonors wie Sauerstoff an ein Metallzentrum.The bimetallic compound is characterized by the fact that the two metal centers are present in one molecule. As a result, the two metal ions are in a fixed ratio. The connections between the metal centers may be covalent, for example by bridging ligands. But they can also be ionic or coordinative, d. H. for example, by coordination of an electron donor such as oxygen to a metal center.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die bimetallische Verbindung eine Koordinationsverbindung einer Zinn-Verbindung mit einer Indium-Verbindung. Dies bedeutet, dass die bimetallische Verbindung durch Koordination einer Zinn-Verbindung mit einer Indium-Verbindung gebildet wird. Indium(III)-Verbindungen sind wie die meisten dreiwertigen Verbindungen der Gruppe 13 Elektronenmangelverbindungen. Die Elektronenlücke am Metall kann durch Ausbildung von Mehrzentrenbindungen aber auch durch die Bildung von Addukten mit Lewis-Basen (Elektronendonoren) geschlossen werden. Die Wahl der Reste am Indium ermöglicht dabei durch Wahl der sterischen Ausdehnung und der elektronischen Eigenschaften eine genaue Steuerung der Stabilität solcher Addukte.In an advantageous development, the bimetallic compound is a coordination compound of a tin compound with an indium compound. This means that the bimetallic compound is formed by coordinating a tin compound with an indium compound. Indium (III) compounds, like
Auch Zinn-Verbindungen, insbesondere auch Sn(II)-Verbindungen, können solche koordinativen Bindungen eingehen.Tin compounds, in particular also Sn (II) compounds, can form such coordinative bonds.
Um eine solche Koordinationsverbindung aus einer Zinn- und einer Indium-Verbindung zu erhalten, weist jede der Verbindungen vorzugsweise lewisbasische Gruppen (X) auf, welche eine koordinative Bindung zum jeweilig anderen Metallzentrum eingehen: In order to obtain such a coordination compound from a tin and an indium compound, each of the compounds preferably has Lewis-basic groups (X), which form a coordinate bond to the respective other metal center:
Dabei können die lewisbasischen Gruppen X auch über mehrere Bindungen mit dem Metallzentrum verbunden sein. Bevorzugt ist eine direkte Bindung der lewisbasischen Gruppen an das Metallzentrum. X kann dabei O, N oder S sein, wobei O bevorzugt ist. Beispiele für X sind Alkoxygruppen mit 1 bis 8 C-Atomen, wie beispielsweise Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, tert.-Butoxygruppen.The Lewis-basic groups X can also be connected to the metal center via several bonds. Preference is given to a direct bonding of the Lewis-basic groups to the metal center. X can be O, N or S, O being preferred. Examples of X are alkoxy groups having 1 to 8 carbon atoms, such as methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, tert-butoxy groups.
Die Koordinationsverbindung kann auch im Gleichgewicht mit der Zinn-Verbindung und der Indium-Verbindung vorliegen. Durch die Wahl der Liganden und der meistens im hohen Überschuss vorliegenden Indium-Verbindung ist das Gleichgewicht allerdings auf der Seite der Komplexverbindung verschoben.The coordination compound may also be in equilibrium with the tin compound and the indium compound. However, due to the choice of the ligands and the indium compound, which is usually present in high excess, the equilibrium is shifted on the side of the complex compound.
Trotz des Gleichgewichts kann die Koordinationsverbindung durch experimentelle Messungen, wie NMR-Messungen einwandfrei charakterisiert werden.Despite the equilibrium, the coordination compound can be properly characterized by experimental measurements such as NMR measurements.
Erfindungsgemäß sind die Indium-Verbindungen Verbindungen der Formel I
Als Zinn-Verbindungen werden mit Vorteil Zinnverbindungen, welche mit Resten, welche über lewisbasischen Gruppen verfügen, verwendet. Bevorzugt sind Zinnhalogenide, Zinnalkoxide. Besonders bevorzugt sind Verbindung mit Zinn in der Oxidationsstufe +2. Dies sind insbesondere Verbindungen der Formel SnR3 2, wobei R3 wie vorstehend definiert ist, bevorzugt C1-C12-Alkoxygruppen, wie Methoxy, Ethoxy, Propoxy, iso-Propoxy, n-Butoxy, tert.-Butoxy, Pentoxy, Neopentoxy.As tin compounds it is advantageous to use tin compounds containing residues which have Lewis basic groups. Preferred are tin halides, tin alkoxides. Particularly preferred are compounds with tin in the
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die bimetallische Verbindung durch Reaktion einer Indium-Verbindung mit einer entsprechenden Zinn-Verbindung erhalten. In an advantageous development, the bimetallic compound is obtained by reacting an indium compound with a corresponding tin compound.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung entspricht die Indium-Verbindung zur Herstellung der bimetallischen Verbindung der Indium-Verbindung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung. Dies erlaubt eine besonders einfache Herstellung einer Precursorzusammensetzung für eine Zusammensetzung zur Herstellung von ITO-Beschichtungen und ITO-Pulver. Dazu wird zu der Indium-Verbindung ein entsprechend der Dotierung gewählter Anteil an Zinn-Verbindung gegeben und durch Reaktion mit einem entsprechenden Teil der Indium-Verbindung die bimetallische Verbindung gebildet. Die erhaltene Mischung kann als homogene Mischung aufgereinigt und eingesetzt werden. Die Koordinationsverbindung bleibt dabei erhalten. Dadurch kann bei genau einstellbarem Gehalt an Zinn in der endgültigen ITO-Beschichtung eine gut handhabbare und weiterzuverarbeitende homogene Precursorzusammensetzung erhalten werden. Aus dieser Precursorzusammensetzung kann dann direkt oder nach Zugabe weiterer Verbindungen eine erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Herstellung von ITO-Beschichtungen oder ITO-Pulvern erhalten werden. Falls nichts mehr hinzugegeben wird, entspricht die Precursorzusammensetzung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung.In a particularly preferred development, the indium compound for producing the bimetallic compound corresponds to the indium compound of the composition according to the invention. This allows a particularly simple preparation of a precursor composition for a composition for the production of ITO coatings and ITO powder. For this purpose, a proportion of tin compound selected according to the doping is added to the indium compound, and the bimetallic compound is formed by reaction with a corresponding part of the indium compound. The resulting mixture can be purified and used as a homogeneous mixture. The coordination connection is retained. As a result, with an accurately adjustable content of tin in the final ITO coating, a readily handleable and further processed homogeneous precursor composition can be obtained. From this precursor composition, a composition according to the invention for the production of ITO coatings or ITO powders can then be obtained directly or after addition of further compounds. If nothing more is added, the precursor composition corresponds to a composition according to the invention.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Indium-Verbindung eine Verbindung der Formel II
Die erfindungsgemäße bimetallische Verbindung ist eine Verbindung der Formel III
Entsprechend der gewünschten Dotierung an Zinn weist die Zusammensetzung, bzw. die Precursorzusammensetzung einen Anteil von 1 bis 50 at% Zinn ([Sn]/([Sn] + [In])) auf, bevorzugt einen Bereich von 5 bis 30 at% Zinn, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 at% Zinn.In accordance with the desired doping of tin, the composition or the precursor composition has a proportion of 1 to 50 at% of tin ([Sn] / ([Sn] + [In])), preferably a range of 5 to 30 at% of tin , more preferably between 5 and 20 at% tin.
In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die Zusammensetzung zusätzlich eine oder mehrere organische Verbindungen mit lewisbasischen Gruppen. Diese Gruppen dienen zum einen zur Stabilisierung der Precursorzusammensetzung bei der weiteren Verarbeitung, als auch zur Verbesserung der Eigenschaften der erhaltenen Pulver und Beschichtungen. Bevorzugt sind lewisbasische Gruppen, welche Sauerstoff enthalten. Der Anteil der Verbindungen kann so gewählt werden, dass eine erfindungsgemäße Zusammensetzung eine Konzentration von 0.1 bis 0.6 M der Precursorzusammensetzung bezogen auf die auf die Gesamtkonzentration aus Indium-Verbindung und bimetallischer Verbindung. Bevorzugt ist eine Konzentration von 0.15 bis 0.45 M.In an advantageous development, the composition additionally contains one or more organic compounds with Lewis-basic groups. These groups serve to stabilize the precursor composition during further processing, as well as to improve the properties of the resulting powders and coatings. Preference is given to Lewis-basic groups which contain oxygen. The proportion of the compounds can be chosen so that a composition according to the invention has a concentration of 0.1 to 0.6 M of the precursor composition based on the total concentration of indium compound and bimetallic compound. Preferred is a concentration of 0.15 to 0.45 M.
Der Anteil einer solchen Verbindung an der Precursorzusammensetzung kann bei 10 bis 50 Vol.-% liegen, bevorzugt sind 20–40 Vol.-%.The proportion of such a compound in the precursor composition may be from 10 to 50% by volume, preferably from 20 to 40% by volume.
Solche lewisbasischen Verbindungen können beispielsweise ausgewählt werden aus:
- a. C1-6-Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, iso-Butanol,
- b. Mono- und Polycarbonsäuren wie Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Pentansäure, Hexansäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Citronensäure, Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Oxalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Stearinsäure und insbesondere 3,6,9-Trioxadecansäure sowie die entsprechenden Anhydride,
- c. Ketone, Diketone oder Hydroxyketone wie Acetylaceton, 2,4-Hexandion, 3,5-Heptandion, Acetessigsäure, Acetessigsäure-C1-C4-Alkylester wie Acetessigsäureethylester, Diacetyl und Acetonylaceton, β-Hydroxyketone, Diacetonalkohol,
- d. Aminosäuren, insbesondere β-Alanin, aber auch Glycin, Valin, Aminocapronsäure, Leucin und Isoleucin,
- e. Polyethylenoxid-Derivate, insbesondere Tween 80 (Sorbitanmonooleat-polyoxyalkylen), aber auch Emulsogen® (Hexaglycolmonostearat), Emulsogen® OG (Ölsäurederivat) und Brij® 30 (Polyoxyethylenlaurylether),
- f. Säureamide, insbesondere Caprolactam, und
- g. Amine wie z. B. Methylamin, Dimethylamin. Trimethylamin, Anilin, N-Methylanilin, Diphenylamin, Triphenylamin, Toluidin, Ethylendiamin, Diethylentriamin.
- a. C 1-6 -alcohols, such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol,
- b. Mono- and polycarboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, pentanoic acid, hexanoic acid, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, citric acid, adipic acid, succinic acid, glutaric acid, oxalic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, stearic acid and in particular 3,6,9-trioxadecanoic acid and the corresponding anhydrides,
- c. Ketones, diketones or hydroxyketones such as acetylacetone, 2,4-hexanedione, 3,5-heptanedione, acetoacetic acid, C 1 -C 4 -alkyl acetoacetate such as ethyl acetoacetate, diacetyl and acetonylacetone, β-hydroxyketones, diacetone alcohol,
- d. Amino acids, in particular β-alanine, but also glycine, valine, aminocaproic acid, leucine and isoleucine,
- e. Polyethylene oxide derivatives, in particular Tween 80 (sorbitan monooleate polyoxyalkylene), but also Emulsogen ® (Hexaglycolmonostearat), Emulsogen ® OG (oleic acid derivative) and Brij ® 30 (polyoxyethylene lauryl ether),
- f. Acid amides, in particular caprolactam, and
- G. Amines such. For example, methylamine, dimethylamine. Trimethylamine, aniline, N-methylaniline, diphenylamine, triphenylamine, toluidine, ethylenediamine, diethylenetriamine.
Bevorzugt sind Verbindungen, welche neben Sauerstoff nur Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisen, insbesondere C1-6-Alkohole, Carbonylverbindungen, β-Hydroxyketone, β-Diketone, (Poly)ether, besonders bevorzugt β-Hydroxyketone wie Diacetonalkohol. Dies reduziert die Menge an eingebrachten Fremdatomen Preference is given to compounds which, in addition to oxygen, have only carbon and hydrogen, in particular C 1-6 -alcohols, carbonyl compounds, β-hydroxyketones, β-diketones, (poly) ethers, more preferably β-hydroxyketones, such as diacetone alcohol. This reduces the amount of foreign atoms introduced
Es können auch Mischungen der Verbindungen eingesetzt werden, z. B. Mischungen aus Alkoholen und β-Hydroxyketonen.It can also be used mixtures of compounds, for. B. mixtures of alcohols and β-hydroxy ketones.
Zusätzlich zu diesen Verbindungen kann die Zusammensetzung noch weitere Lösungsmittel und/oder andere Verbindungen enthalten. Denkbar sind beispielsweise weitere Lösungsmittel wie Diethylether, Tetrahydrofuran, aber auch inerte Lösungsmittel wie Toluol, Benzol, Pentan.In addition to these compounds, the composition may contain other solvents and / or other compounds. Conceivable, for example, other solvents such as diethyl ether, tetrahydrofuran, but also inert solvents such as toluene, benzene, pentane.
Die Erfindung betrifft außerdem einen bimetallischen Precursor, insbesondere zur Herstellung von ITO-Beschichtungen und ITO-Pulvern, der Koordinationsverbindung einer Indium- und einer Zinn-Verbindung ist und Zinn der Oxidationsstufe +2 enthält.The invention also relates to a bimetallic precursor, in particular for the production of ITO coatings and ITO powders, which is a coordination compound of an indium and a tin compound and tin of the
Ein solcher bimetallischer Precursor ist insbesondere erhältlich durch Reaktion einer Indium-Verbindung mit mindestens einer lewisbasischen Gruppe und einer Zinn-Verbindung der Formel Sn(OR)2, wobei R wie R5 in Formel III definiert ist.Such a bimetallic precursor is particularly obtainable by reaction of an indium compound having at least one Lewis basic group and a tin compound of the formula Sn (OR) 2 , wherein R is defined as R 5 in formula III.
Erfindungsgemäß ist der bimetallische Precursor wie die bimetallische Verbindung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung definiert. Besonders bevorzugt ist der bimetallische Precursor eine Verbindung der Formel III
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zu Herstellung von ITO-Beschichtungen. Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.The invention also relates to a process for producing ITO coatings. In the following, individual process steps are described in more detail. The steps do not necessarily have to be performed in the order given, and the method to be described may also have other steps not mentioned.
Das Verfahren enthält mindestens folgende Schritte:
- a) Herstellen einer Zusammensetzung aus mindestens einer Indium-Verbindung und mindestens einer bimetallischen Verbindung, welche Indium- und Zinn enthält;
- b) Auftragen der Zusammensetzung auf ein Substrat;
- c) Temperaturbehandlung bei über 300°C.
- a) preparing a composition of at least one indium compound and at least one bimetallic compound containing indium and tin;
- b) applying the composition to a substrate;
- c) temperature treatment at over 300 ° C.
Als Zusammensetzung wird bevorzugt eine erfindungsgemäße Zusammensetzung verwendet, welche vorstehend beschrieben wurde.The composition used is preferably a composition according to the invention which has been described above.
Zum Auftragen können dem Fachmann bekannte Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen verwendet werden. Bevorzugt sind Spin-Dip- oder Rollcoating oder Sprüh-Verfahren. Entsprechend der gewünschten Methode des Auftragens kann die Zusammensetzung unterschiedliche Konzentrationen der Precursorzusammensetzung enthalten. Bevorzugt ist eine Konzentration von 0.15 bis 0.6 M bezogen auf die Gesamtkonzentration aus Indium-Verbindung und bimetallischer Verbindung.For application, methods known to the person skilled in the art for coating surfaces can be used. Preferred are spin-dip or roll coating or spray process. According to the desired method of application, the composition may contain different concentrations of the precursor composition. Preferred is a concentration of 0.15 to 0.6 M based on the total concentration of indium compound and bimetallic compound.
In einem weiteren Schritt wird die Beschichtung bei über 300°C einer Temperaturbehandlung unterworfen.In a further step, the coating is subjected to a temperature treatment at above 300 ° C.
Die Temperaturbehandlung kann in einer Weiterbildung der Erfindung nach dem bekannten Verfahren der Kristallisation (Calcinierung) und Reduktion erfolgen. Dazu wird die Beschichtung zunächst für mehrere Stunden, meistens ca. 12 Stunden, bei über 300°C, meistens ca. 500°C, an Luft behandelt. Dies führt wie schon beschrieben zur Oxidation zu Sn4+-Verbindungen.The temperature treatment can be carried out in a development of the invention according to the known method of crystallization (calcination) and reduction. For this purpose, the coating is first for several hours, usually about 12 hours, at about 300 ° C, usually about 500 ° C, treated in air. As described above, this leads to oxidation to Sn 4+ compounds.
In zweiten Schritt der Temperaturbehandlung wird eine Temperaturbehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt, ebenfalls bei über 300°C, meistens für deutlich kürzere Zeit, ca. 30 Minuten. Dies ist erforderlich, um eine Überreduktion der Beschichtung zu verhindern. Als Atmosphäre können H2 oder CO verwendet werden, bevorzugt ist eine N2/H2-Atmosphäre mit einem H2-Anteil von 5–15%.In the second step of the temperature treatment, a temperature treatment is carried out in a reducing atmosphere, also at over 300 ° C, usually for a significantly shorter time, about 30 minutes. This is necessary to prevent over-reduction of the coating. H 2 or CO can be used as the atmosphere, an N 2 / H 2 atmosphere with an H 2 content of 5-15% being preferred.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Temperaturbehandlung in einem Schritt unter inerter Atmosphäre durchgeführt. Wie schon beschrieben, kommt es dabei zur Disproportionierung von Sn2+ und somit zur Ausbildung von Ladungsträgern in der ITO-Beschichtung. Als inerte Atmosphäre können N2, CO2 oder Edelgase verwendet werden, bevorzugt ist N2. Die Temperatur sollte über 300°C betragen, bevorzugt sind Temperaturen zwischen 300 und 800°C, besonders bevorzugt zwischen 450 und 600°C. Durch die inerte Atmosphäre können auch empfindlichere Substrate verwendet werden. Die Behandlung kann zwischen 2 und 48 Stunden betragen, bevorzugt zwischen 5 und 24 Stunden, besonders bevorzugt zwischen 8 und 15 Stunden. In a particularly preferred development of the invention, the temperature treatment is carried out in one step under an inert atmosphere. As already described, this leads to the disproportionation of Sn 2+ and thus to the formation of charge carriers in the ITO coating. Suitable inert atmosphere N 2, CO 2 or noble gases may be used, preferably N 2. The temperature should be above 300 ° C, preferably temperatures between 300 and 800 ° C, more preferably between 450 and 600 ° C. Due to the inert atmosphere even more sensitive substrates can be used. The treatment can be between 2 and 48 hours, preferably between 5 and 24 hours, more preferably between 8 and 15 hours.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Zusammensetzung zusätzlich eine oder mehrere organische Verbindungen mit lewisbasischen Gruppen, wie bereits vorstehend beschrieben, bevorzugt sind C1-6-Alkohole, Carbonylverbindungen, β-Hydroxyketone, β-Diketone, (Poly)ether.In an advantageous development of the invention, the composition additionally contains one or more organic compounds having Lewis basic groups, as already described above, preferred are C 1-6 -alcohols, carbonyl compounds, β-hydroxyketones, β-diketones, (poly) ethers.
Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines ITO-Pulvers. Dieses ist analog zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer ITO-Beschichtung, wobei allerdings anstatt von Schritt b) die Zusammensetzung bei unter 100°C getrocknet und danach einer Zerkleinerungsbehandlung unterworfen wird. Das Verfahren enthält daher folgende Schritte:
- a) Herstellen einer Zusammensetzung aus mindestens einer Indium-Verbindung und mindestens einer bimetallischen Verbindung, welche Indium- und Zinn enthält;
- b) Temperaturbehandlung der Zusammensetzung bei unter 100°C und danach einer Zerkleinerungsbehandlung;
- c) Temperaturbehandlung bei über 300°C.
- a) preparing a composition of at least one indium compound and at least one bimetallic compound containing indium and tin;
- b) temperature treatment of the composition at below 100 ° C and then a crushing treatment;
- c) temperature treatment at over 300 ° C.
Bevorzugt wird eine erfindungsgemäße Zusammensetzung verwendet. Zur Herstellung eines ITO-Pulvers werden zunächst ggf. vorhandene weitere organische Verbindungen, wie z. B. Alkohole, durch Temperaturbehandlung bei unter 100°C entfernt. Die erhaltene Zusammensetzung wird einer Zerkleinerungsbehandlung unterworfen. Dies umfasst dem Fachmann bekannte Techniken, wie beispielsweise Mörser, Hartmörser, Mühlen, Das so zerkleinerte Pulver wird einer Temperaturbehandlung bei 300°C unterworfen. Dabei können wie vorstehend beschrieben einstufige oder zweistufige Verfahren verwendet werden.Preferably, a composition according to the invention is used. For the preparation of an ITO powder, any other organic compounds present, such as. As alcohols, removed by heat treatment at below 100 ° C. The obtained composition is subjected to a crushing treatment. This includes techniques known to the person skilled in the art, such as, for example, mortars, hard mortars, mills. The powder thus comminuted is subjected to a temperature treatment at 300 ° C. In this case, as described above, one-stage or two-stage methods can be used.
Das erhaltene Pulver kann danach weiteren Zerkleinerungs- oder Dispergierbehandlungen unterworfen werden. Die Partikel können auch durch Zugabe von Oberflächenmodifikation oberflächenmodifiziert werden. Techniken dafür sind dem Fachmann bekannt.The resulting powder may then be subjected to further crushing or dispersing treatments. The particles can also be surface-modified by adding surface modification. Techniques for this are known to the person skilled in the art.
Die erhaltenen Pulver weisen eine Kristallitgröße von unter 200 nm, bevorzugt unter 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 15 nm, auf.The resulting powders have a crystallite size of less than 200 nm, preferably less than 50 nm, particularly preferably between 10 and 15 nm.
Desweiteren betrifft die Erfindung Artikel enthaltend bzw. aufweisend eine Beschichtung die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde.Furthermore, the invention relates to articles containing or comprising a coating obtained by the process according to the invention.
Dies sind alle dem Fachmann bekannten Verwendungen für ITO-Beschichtungen und ITO-Pulver. Dies betrifft insbesondere leitfähige und/oder transparente Beschichtungen in mikro- und/oder optoelektronischen Anwendungen. Die Beschichtungen eignen sich bspw. insbesondere als NIR-Absorber auf Oberflächen.These are all uses known to those skilled in the art for ITO coatings and ITO powders. This applies in particular to conductive and / or transparent coatings in microelectronic and / or optoelectronic applications. The coatings are suitable, for example, in particular as NIR absorbers on surfaces.
Als Anwendung seien beispielsweise genannt: Touch-Screens, Displaytechnologie, Elektroden.Examples of applications include: touch screens, display technology, electrodes.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features will become apparent from the following description of preferred embodiments in conjunction with the subclaims. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. The possibilities to solve the problem are not limited to the embodiments. For example, area information always includes all - not mentioned - intermediate values and all imaginable subintervals.
Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
In Tabelle 4 sind verschiedenen Verfahren und Zusammensetzungen aufgelistet, welche hergestellt wurden (Daa bedeutet Diacetonalkohol).The invention will now be explained with reference to some embodiments. The embodiments are shown schematically in the figures. In detail shows:
Table 4 lists various methods and compositions that have been prepared (Daa means diacetone alcohol).
b) Mikroskopische Aufnahme einer Schicht mit Kratzern nach Doppelbeschichtung (Beschichten, dann Tempern wie oben beschrieben und erneutes Beschichten und Tempern: 0.4 M mit Daa und 10 at% Sn; 12 h bei 500°C unter Stickstoffatmosphäre);
b) Microscopic image of a layer with scratches after double coating (coating, then annealing as described above and recoating and tempering: 0.4 M with Daa and 10 at% Sn, 12 h at 500 ° C under a nitrogen atmosphere);
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das molare In/Sn Verhältnis der Zusammensetzung 9/1. Dies ergibt eine Dotierkonzentration von ca. 5–10 at% Zinn (im Verhältnis [Sn]/([Sn] + [In])), die eine gute elektrische Leitfähigkeit von ITO-Schichten gewährleisten können. Als Verbindungen werden als Indium-Verbindung bevorzugt Dialkylverbindungen eingesetzt, welche als dritten Rest einen Alkoxid-Rest aufweisen. Zusammen mit Zinn(II)alkoxid-Verbindungen ergibt sich folgendes Gleichgewicht:
Dabei ist R6 bevorzugt ein C1 bis C4 Alkylreste, besonders bevorzugt Methyl und R7 ein C2 bis C6 Alkylrest, besonders bevorzugt sterisch anspruchsvolle Reste, wie t-Butyl oder iso-Propyl. So sieht das Gleichgewicht beispielsweise so aus: In this case, R 6 is preferably a C 1 to C 4 alkyl radicals, more preferably methyl and R 7 is a C 2 to C 6 alkyl radical, more preferably sterically demanding radicals, such as t-butyl or iso-propyl. For example, the balance looks like this:
Die Zinn-Verbindung wird entsprechend ihrem Gehalt zugegeben. Durch die bereits angeführten Wechselwirkungen zwischen den Metallzentren und den Alkoxy-Gruppen kommt es zur Ausbildung der bimetallischen Verbindung
Wird nun
Anhand von NMR-Messungen (1H, 13C, 119Sn) in Lösung konnte der Reaktionsverlauf verfolgt werden. Sind zu Beginn der Reaktion nur die Signale der Edukte
Das vorliegende Produktgemisch an
Die bimetallische Verbindung liegt als stabiler, aber dynamischer Komplex vor. Durch NMR-Messungen bei variablen Temperaturen (dynamische NMR-Messungen) und mit unterschiedlichen Verhältnissen der Verbindungen konnte die in
Die beiden endständigen Methylgruppen (links) liegen in einer Ebene zu der endständigen tert.-Butyl-Gruppe (rechts) und senkrecht zu den verbrückenden tert-Butylgruppen (Mitte). Die beiden Teile der In- und Sn-Edukte koordinieren jeweils zueinander und schaffen somit die gewünschte Verknüpfung von Sn-Komponente zur In-Komponente durch intramolekulare Wechselwirkungen.The two terminal methyl groups (left) lie in a plane to the terminal tert-butyl group (right) and perpendicular to the bridging tert-butyl groups (middle). The two parts of the In and Sn starting materials coordinate to each other and thus create the desired linkage of Sn component to In component by intramolecular interactions.
Bei dynamischen NMR-Messungen mit unterschiedlichen Eduktverhältnissen (
Bei einem überschüssigen Einsatz von
Die erfindungsgemäße Precursorzusammensetzung erlaubt daher die Herstellung einer sehr stabilen und definierten Mischung, welche eine genaue Einstellung der Dotierung der späteren ITO-Schicht erlaubt. Diese liegt im Regelfall bei 5 bis 10 at% (relativ zur Gesamtmenge an Metallen) für ITO.The precursor composition according to the invention therefore permits the production of a very stable and defined mixture which permits precise adjustment of the doping of the later ITO layer. This is usually 5 to 10 at% (relative to the total amount of metals) for ITO.
Die Konzentration an Zinn kann nach dem Syntheseprozess und der anschließenden Reinigung durch Destillation mittels Atomabsorptionsspektroskopie (GF-AAS: Graphite Furnace-Atomabsorptionsspektrometrie) gemessen werden.The concentration of tin can be measured after the synthesis process and subsequent purification by distillation by atomic absorption spectroscopy (GF-AAS: Graphite Furnace atomic absorption spectrometry).
Die bimetallische Verbindung kann außerdem rein erhalten werden, indem beispielsweise die Reaktion mit einem Überschuss (z. B. 5:1) an Zinnverbindung durchgeführt wird und die erhaltene bimetallische Verbindung durch Destillation gereinigt wird. Die NMR-Signale entsprechen der Verbindung, welche im Gemisch mit der Indium-Verbindung erhalten wird. NMR-Charakterisierung der bimetallischen Verbindung.Further, the bimetallic compound can be obtained purely by, for example, conducting the reaction with an excess (e.g., 5: 1) of tin compound and purifying the obtained bimetallic compound by distillation. The NMR signals correspond to the compound obtained in admixture with the indium compound. NMR characterization of the bimetallic compound.
Herstellung der Precursorzusammensetzung:Preparation of Precursor Composition:
Um die gewünschte Dotierkonzentration des Zinn zu erhalten, muss die Sn-Verbindung in entsprechendem Metallverhältnis (In/Sn) zu der Indium-Verbindung zugegeben werden, z. B. 6 at%, 8 at%, 10 at% und 50 at% Sn. In dem entstandenen Produkt ist nach der Refluxierung in Toluol eine entsprechende Menge Indium-Verbindung und der bimetallischen Verbindung enthalten, welche zusammen destilliert werden.In order to obtain the desired doping concentration of the tin, the Sn compound must be added in appropriate metal ratio (In / Sn) to the indium compound, e.g. 6 at%, 8 at%, 10 at% and 50 at% Sn. In the resulting product after refluxing in toluene, a corresponding amount of indium compound and the bimetallic compound are included, which are distilled together.
Herstellung der Zusammensetzung für Beschichtungen Preparation of the composition for coatings
Die Precursorzusammensetzung mit der gewünschten Dotierkonzentration an Zinn wird in (getrocknetem) Isopropanol gelöst, so dass eine Konzentration von 0.6 M erhalten wird.The precursor composition with the desired doping concentration of tin is dissolved in (dried) isopropanol, so that a concentration of 0.6 M is obtained.
Aus dieser werden durch Zugabe von weiterem Isopropanol, Diacetonalkohol, tert-Butanol und/oder Acetylaceton Lösungen von 0.2 M und 0.4 M Konzentration hergestellt und unter Stickstoff gelagert.From this, solutions of 0.2 M and 0.4 M concentration are prepared by addition of further isopropanol, diacetone alcohol, tert-butanol and / or acetylacetone and stored under nitrogen.
Herstellen der BeschichtungenMaking the coatings
Eine Zusammensetzung entsprechend vorstehender Vorschrift wird die Lösung zwei Stunden im Beschichtungslabor gerührt, um eine optimale Homogenität zu erhalten und um die Temperatur der Lösung an die Umgebung anzugleichen. Anschließend wird die Beschichtungslösung durch einem Spritzenfilter (Größe 8) geleitet, um etwaige Feststoffe abzufiltrieren.A composition according to the above procedure, the solution is stirred for two hours in the coating laboratory to obtain optimum homogeneity and to adjust the temperature of the solution to the environment. The coating solution is then passed through a syringe filter (size 8) to filter any solids.
Spin-CoatingSpin coating
Die hergestellte Zusammensetzung wird durch Rotationsbeschichtung aufgetragen (sein-coating). Es werden pro Beschichtung 7 μl Zusammensetzung in die Mitte auf das ruhende Glassubstrat getüpfelt und anschließend ein definiertes Beschichtungsprogramm durchlaufen (Rotationsgeschwindigkeit: 1000 rpm; Rotationsdauer: 20 s). Anschließend wird der noch nasse Lösungsfilm mind. eine Minute ruhen gelassen, um eine gleichmäßige Trocknung zu gewährleisten.The prepared composition is applied by spin coating (sein-coating). For each coating, 7 μl of composition are spotted in the center on the resting glass substrate and then run through a defined coating program (rotation speed: 1000 rpm, rotation time: 20 s). Subsequently, the still wet solution film is allowed to rest for at least one minute to ensure uniform drying.
Temperaturbehandlung in zwei SchrittenTemperature treatment in two steps
Die beschichteten Substrate werden in einem Luftofen für 12 h bei 500°C getempert (flach liegend). Nachdem die Proben abgekühlt sind, werden sie in einem horizontalen Kieselglas-Rohrofen für 30 Minuten bei 300°C in einer Formiergasatmosphäre (N2/H2 = 92/8) reduziert.The coated substrates are annealed in an air oven for 12 h at 500 ° C (lying flat). After the samples have cooled, they are in a horizontal quartz glass tube furnace for 30 minutes at 300 ° C in a forming gas (N 2 / H 2 = 92/8) reduced.
Temperaturbehandlung unter InertatmosphäreTemperature treatment under inert atmosphere
Die Schichten werden nach dem Beschichtungsprozess in den Rohrofen gegeben und für 12 h bei 500°C mit N2-Spülung getempert (50 1/h).The layers are given after the coating process in the kiln and for 12 h at 500 ° C with N 2 purge annealed (50 1 / h).
Das im obigen Abschnitt erläuterte Precursorsystem wurde in ersten Versuchen mit einem Metallverhältnis In/Sn von 9/1 synthetisiert und in Isopropanol gelöst. Dies entspricht einer effektiven Zinndotierung des fertigen Oxids von 10 at%. Zur besseren Schichtausbildung wurden unterschiedliche Anteile von Diacetonalkohol hinzugegeben. Der Einsatz von Acetylaceton erwies sich hingegen als nicht förderlich.The precursor system explained in the previous section was synthesized in first experiments with a metal ratio In / Sn of 9/1 and dissolved in isopropanol. This corresponds to an effective tin doping of the final oxide of 10 at%. For better layer formation different proportions of diacetone alcohol were added. The use of acetylacetone, however, proved to be not conducive.
Die nachstehend dargestellten Ergebnisse beziehen sich alle auf den Einsatz eines Precursorsystems mit 10 at% Sn als Dotiermittel. Um die Dotierkonzentration zu variieren muss in diesem Fall lediglich die Menge an zugeführtem Zinnedukt zur Precursorsynthese variiert werden.The results presented below all refer to the use of a precursor system with 10 at% Sn as dopant. In order to vary the doping concentration, in this case, only the amount of supplied tin starting material for the precursor synthesis has to be varied.
Die unterschiedlichen Temperprozesse (Temperung + Reduzierung und Temperung unter Inertgas) wurden durchgeführt, um vergleichende Daten zwischen der herkömmlichen Herstellungsmethode (mit Reduzierung) und der neu entwickelten Methode (Inertgastemperung) zu erhalten. Es wurden sowohl Schichten durch sein-coating hergestellt, als auch Pulverproben. Diese ermöglichen exaktere Messergebnisse z. B. bei XRD-Untersuchungen. Beide Probenarten wurden bei 500°C für 12 h unter Stickstoffatomsphäre getempert.The different annealing processes (annealing + reduction and tempering under inert gas) were carried out to obtain comparative data between the conventional production method (with reduction) and the newly developed method (inert gas annealing). Both layers were produced by his-coating, as well as powder samples. These allow more accurate measurement results z. B. in XRD studies. Both types of samples were annealed at 500 ° C for 12 h under a nitrogen atmosphere.
Mehrfachschichten wurden durch wiederholtes Auftragen der Precursorlösung durch sein-coating und anschließender Temperung der erhaltenen Schichten hergestellt.Multiple layers were prepared by repeated application of the precursor solution by his-coating and subsequent annealing of the resulting layers.
Diffraktogramme einer Schicht, welche 12 h unter inerter Atmosphäre bei 500°C getempert worden waren zeigt
Eine Referenzprobe nach dem klassischen Herstellungsprozess (10 at% Sn aus 0.4 M Lösung; 12 h bei 500°C an Luft und Reduzierung bei 300°C unter Formiergas mit 8% H2) liefert ein identisches Pattern (
Gleiches gilt für entsprechend hergestellte Pulver (
Eine genauere Analyse des Pulverdiffraktogramms eines unter inerter Atmosphäre getemperten Pulvers zeigt eine Verschiebung der gemessenen Signale im Vergleich zu den Referenzlinien des In2O3 (
Die Feinauflösung der Röntgendiffraktogramme zeigt ein typisches Verhalten der ITO-Proben, welche durch den neuartigen Prozess hergestellt wurden. Es liegt ein Indiumoxidgitter vor, in welches das Zinn substitutionell eingebaut ist. Durch überschüssigen Sauerstoff bzw. den Einbau von zweiwertigen Sn-Ionen weitet sich das Oxidgitter auf.The fine resolution of the X-ray diffractograms shows a typical behavior of the ITO samples produced by the novel process. There is an indium oxide lattice, into which the tin is inserted substitutionally. Excess oxygen or the incorporation of divalent Sn ions causes the oxide lattice to expand.
Festkörper-NMR-MessungenSolid-state NMR measurements
Um die Disproportionierungsreaktion des zweiwertigen Zinns genauer zu untersuchen, wurden Festkörper-NMR-Messungen durchgeführt. Dazu wurden zwei unterschiedliche Proben hergestellt:
Eine ungetemperte Pulverprobe P1 (Xerogel, Entfernung des Solvents unter rühren bei 50°C an Luft) und Pulvermaterial von P1 nach 12 Stunden bei 500°C unter Stickstoff (P2).
An untempered powder sample P1 (xerogel, removal of the solvent stirred at 50 ° C in air) and powder material from P1 after 12 hours at 500 ° C under nitrogen (P2).
Eine Messung der zweiten Probe P2 (nach Temperung unter N2) zeigte ein paramagnetisches Verhalten des Materials, das die Entstehung von Resonanzsignalen verhindert. Dieses Verhalten belegt die zuvor beschriebene Disproportionierung des zweiwertigen Zinn der Ausgangsverbindung und im Xerogel zum vierwertigen Zinnion Sn4+ und zu metallischen Sn0:
Das vorliegende Sn0 liegt atomar verteilt im Material vor und zeigt bei den Schichten keine separaten Phasenbereiche oder Schwärzungen der Schicht.The present Sn 0 is present atomically distributed in the material and does not show any separate phase areas or blackening of the layer in the layers.
Die Dicken der hergestellten Schichten (auch Mehrfachbeschichtungen) wurden mit einem Profilometer (INM) bestimmt. Tabelle 2 zeigt die gemessenen Schichtdicken, die mit unterschiedlichen Konzentrationen der Precursorlösung hergestellt wurden (0.2 molar und 0.4 molar in Isopropanol (HOiPr)).The thicknesses of the layers produced (including multiple coatings) were determined using a profilometer (INM). Table 2 shows the measured layer thicknesses, which were prepared with different concentrations of the precursor solution (0.2 molar and 0.4 molar in isopropanol (HOiPr)).
Die Kristallitgrößen des Schichtmaterials wurden mit der Scherrer-Methode abgeschätzt (
Man kann erkennen, dass die Kristallitgrößen bei mehreren identisch hergestellten Proben eine homogene Verteilung im Bereich von ca. 10 nm aufweisen.It can be seen that the crystallite sizes in the case of several identically produced samples have a homogeneous distribution in the range of about 10 nm.
Diese Abschätzung deckt sich mit den Durchmessern der Pulverpartikel, welche mit TEM-Aufnahmen abgeschätzt wurden. Dabei weisen das unter inerter Atmosphäre hergestellte Pulver (
Der stöchiometrische Anteil des Zinn in der Precursorlösung (hier: reines Isopropanol) wurde mittels Atomabsorptionsspektroskopie ermittelt und bestätigt die eingegebene Menge an Zinnedukt (2).The stoichiometric proportion of tin in the precursor solution (here: pure isopropanol) was determined by means of atomic absorption spectroscopy and confirms the input amount of tin reduct (2).
Der Kohlenstoffanteil des Xerogels in Pulverform (nach abdampfen des Solvents bei 50°C an Luft) liegt entsprechend dem hohen Restgehalt an organischen Anteilen bei 33% und einem Anteil an Wasserstoff von ca. 5%.The carbon content of the xerogel in powder form (after evaporation of the solvent at 50 ° C in air) is corresponding to the high residual content of organic fractions at 33% and a hydrogen content of about 5%.
Nachdem Tempern unter N2-Atmosphäre (500°C, 12 h) liegen folgende Werte der CHN-Analyse vor (C: 0.1–0.3%, H 0%, N 0%) Die gemessenen Anteile an Kohlestoff in den Proben liegen dabei innerhalb der Messtoleranz des Gerätes (CHN-900 Elemental Analysator von LECOTM) und können durch adsorbierte Gasmoleküle und (CO2) beeinflusst werden.After annealing under an N 2 atmosphere (500 ° C., 12 h), the following values are available for the CHN analysis (C: 0.1-0.3%,
Eine nasschemische Bestimmung der Metallanteile (In + Sn) wurde mittels Titration (Komplexometrische Bestimmung mittels EDTA (Ethylendinitrilotetraessigsäure Dinatriumsalz (Dihydrat)) durchgeführt und belegen das erwartete Gesamtverhältnis der Metalle im Oxid.A wet-chemical determination of the metal components (In + Sn) was carried out by titration (complexometric determination by means of EDTA (ethylenedinitrilotetraacetic acid disodium salt (dihydrate)) and substantiate the expected overall ratio of the metals in the oxide.
Besonders hervorzuheben ist das Fehlen irgendwelcher weiterer Verunreinigungen durch Fremdatome (Halogene, Stickstoff, weitere Metalle etc.), da diese bereits durch den Syntheseprozess des Precursorsystems ausgeschlossen werden.Particularly noteworthy is the absence of any further impurities by foreign atoms (halogens, nitrogen, other metals, etc.), since these are already excluded by the synthesis process of the precursor.
Des Weiteren ist auch kein Einbau von Stickstoff aus der Temperatmosphäre in das Material messbar.Furthermore, no incorporation of nitrogen from the tempering atmosphere into the material is measurable.
Optische EigenschaftenOptical properties
Tabelle 4 zeigt die unterschiedlichen Proben, welche zur Untersuchung der optischen Eigenschaften hergestellt wurden. Dabei wurden für verschiedene Messungen zum Teil verschiedene Proben der gleichen Zusammensetzung und Herstellung verwendet (Daa: Diacetonalkohol).Table 4 shows the different samples that were prepared to examine the optical properties. For different measurements, different samples of the same composition and production were used (Daa: diacetone alcohol).
Die mehrfachen Schichten wurden durch wiederholtes Auftragen der Zusammensetzung durch sein-coating mit anschließender Temperaturbehandlung nach jedem Beschichtungsschritt erhalten.The multiple layers were obtained by repeatedly applying the composition through its coating followed by heat treatment after each coating step.
In den
Die hergestellten Schichten weisen eine augenscheinliche Klarheit auf, die jedoch durch eine leichte milchige Trübung vermindert wird. Dieser Effekt ist umso stärker, je höher die Konzentration an Precursormaterial in der Lösung ist (meist wurden 0.2 molare und 0.4 molare Lösungen verwendet), je mehr Schichten aufgebracht wurden und je geringer der Anteil an Diacetonalkohol ist.The layers produced have obvious clarity, but are diminished by a slight milky haze. This effect is the stronger, the higher the concentration of precursor material in the solution (usually 0.2 molar and 0.4 molar solutions were used), the more layers were applied and the lower the proportion of diacetone alcohol.
Die Transmissionswerte liegen bei allen Hergestellten Schichten (1x, 2x, 3x¬Beschichtung, mit 0.2 bis 0.4 molarer Precursorkonzentration und mit Daa) bei über 90%. Dies spricht für eine sehr homogene Schichtausbildung. Weiterhin ist es ein weiteres Indiz dafür, dass das gebildete metallische Sn0 atomar verteilt im Schichtmaterial vorliegt und nicht etwaige Cluster bildet, die als Absorptions- und Streuzentren dienen könnten.The transmission values for all prepared layers (1x, 2x, 3x-coating, with 0.2 to 0.4 molar precursor concentration and with Daa) are more than 90%. This speaks for a very homogeneous layer formation. Furthermore, it is a further indication that the formed metallic Sn 0 is present atomically distributed in the layer material and does not form any clusters that could serve as absorption and scattering centers.
Ähnliche Aufnahmen mit einer Schicht hergestellt mit tert.-Butanol zeigt
UV-vis-NIR-Messungen UV-vis-NIR measurements
Eine wesentliche Eigenschaft von ITO-Schichten ist die Transparenz im sichtbaren Bereich und die Reflexion von Infrarotstrahlung. Die Messungen wurden alle gegen Luft zur Basislinienkorrektur gemessen. Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um einfach beschichtete Proben.An essential feature of ITO layers is the transparency in the visible range and the reflection of infrared radiation. The measurements were all measured against air for baseline correction. Unless otherwise stated, these are simply coated samples.
Nach der Beschichtung mit einer 0.4 molaren Precursorlösung und dem Auskristallisieren an Luft (12 h, 500°C, A) ist noch kein entscheidender Unterschied im Transmissionsverlauf zum reinen Substratglas („Borofloat blank”, B) zu erkennen. Nach dem Reduzieren bei 300°C unter Formiergas (30 Minuten, 8% H2 in N2, C) ist ein steiler Abfall der Transmission im nahen IR-Bereich zu erkennen.After coating with a 0.4 molar precursor solution and crystallization in air (12 h, 500 ° C., A), no decisive difference in the transmission profile to the pure substrate glass ("borofloat blank", B) can be seen. After reducing at 300 ° C under forming gas (30 minutes, 8% H 2 in N 2 , C), a steep drop in transmission in the near IR range can be seen.
Dieser Effekt an der sogenannten Plasmakante kann durch die Drude-Theorie beschrieben werden und ist ein Zeichen für die Bildung eines Elektronenplasmas der freien Leitungsbandelektronen. Die elektrischen und optischen Eigenschaften herkömmlicher ITO-Schichten (mit Reduzierschritt) werden dementsprechend erst beim Reduziervorgang durch die Bildung freier Elektronen erlangt.This effect on the so-called plasma edge can be described by the Drude theory and is a sign of the formation of an electron plasma of the free conduction band electrons. Accordingly, the electrical and optical properties of conventional ITO layers (with reduction step) are only obtained during the reduction process by the formation of free electrons.
Es ist zu erkennen, dass die Plasmakante einer Stickstoffgetemperten Probe wesentlich steiler und tiefer verläuft, als die einer herkömmlich behandelten Probe nach 30 minütiger Reduzierung (welches eine übliche Zeitspanne für diesen Prozessschritt ist, da sonst die Gefahr einer Überreduzierung entsteht). Weiterhin ist zu erkennen, dass die Bandkante (linker abfallender Bereich) nach der neuen Methode ebenfalls steiler erscheint. Die Transmission im vis-Bereich der Probe nach N2-Temperung ist ebenfalls augenscheinlich.It can be seen that the plasma edge of a nitrogen-tempered sample is much steeper and deeper than that of a conventionally treated sample after 30 minutes of reduction (which is a common time for this process step, otherwise there is a risk of over-reduction). Furthermore, it can be seen that the band edge (left sloping area) also appears steeper according to the new method. The transmission in the vis region of the sample after N 2 annealing is also evident.
In
Wie zu erwarten verläuft die Plasmakante mit steigender Beschichtungszahl (und somit steigender Schichtdicke) immer steiler. Dies liegt an der erhöhten Anzahl an freien Ladungsträgern, die durch ein größeres Schichtvolumen nach Mehrfachbeschichtungen aktiviert werden.As expected, the plasma edge progresses steeper with increasing coating number (and thus increasing layer thickness). This is due to the increased number of free charge carriers that are activated by a larger layer volume after multiple coatings.
Die Transmission im sichtbaren Bereich verringert sich bei diesen Proben und mit dieser Messtechnik lediglich von ca. 92% auf ca. 88%.The transmission in the visible range is reduced in these samples and with this measurement only from about 92% to about 88%.
Bei einem Vergleichswert von 550 nm sinkt die Transmission von 90% für eine Einfachschicht auf ca. 80% bei einer Dreifachschicht. Ein erheblicher Teil dieser Transmissionsminderung ist auf die erhöhte Trübung der Schichten nach mehrmaligem Beschichten zurückzuführen.At a comparison value of 550 nm, the transmission decreases from 90% for a single layer to about 80% for a triple layer. A significant part of this reduction in transmission is due to the increased haze of the layers after repeated coating.
In
Der steilere Abfall der Transmissionskurve der Donnelly-Probe deutet auf eine höhere Konzentration freier Ladungsträger im Material hin. Die Transmission im sichtbaren Bereich (ca. 400–700 nm) ist sehr unterschiedlich ausgeprägt und bei der von uns hergestellt Schicht deutlich gleichmäßiger und in ihrem Maximum höher mit einem wesentlich steileren Verlauf der Plasmakante.The steeper drop in the transmission curve of the Donnelly sample indicates a higher concentration of free charge carriers in the material. The transmission in the visible range (about 400-700 nm) is very different and in the layer produced by us significantly smoother and in its maximum higher with a much steeper course of the plasma edge.
Elektrische LeitfähigkeitElectric conductivity
Die elektrischen Eigenschaften der ITO-Schichten wurden mit der 4-Punkt-Messmethode untersucht. Sie geben den Flächenwiderstand der Schicht in Ωsq wieder. Durch Multiplikation mit der Schichtdicke (in cm) ergibt sich der spezifische Widerstand der Schicht in Ωcm.The electrical properties of the ITO layers were investigated with the 4-point measuring method. They represent the surface resistance of the layer in Ωsq. Multiplication by the layer thickness (in cm) results in the specific resistance of the layer in Ωcm.
In Tabelle 5 ist eine Übersicht der erzielten Werte abgebildet, die über diesen neuen Prozess zur Herstellung von ITO-Schichten bisher erreicht wurden:
Die Transmissionswerte wurden mit Hilfe eines kombinierten Transmissions-, Trübungs- und Klarheitsmessgerät (Transmission, Haze, Clarity; INM) ermittelt. Table 5 shows an overview of the achieved values achieved so far through this new process for the production of ITO coatings:
The transmission values were determined by means of a combined transmission, turbidity and clarity meter (Transmission, Haze, Clarity, INM).
Es ist deutlich der Abfall der Flächenwiderstände bei steigender Schichtdicke (Mehrfachbeschichtung) und höherer Precursorkonzentration in der Beschichtungslösung erkennbar. Die Werte für eine Doppelschicht (3,88 × 10–3 Ωcm) sind durchaus akzeptabel. Die Transmission nimmt dabei nur unwesentlich ab.It is clearly discernible that the surface resistances decrease with increasing layer thickness (multiple coating) and higher precursor concentration in the coating solution. The values for a double layer (3.88 × 10 -3 Ωcm) are quite acceptable. The transmission decreases only insignificantly.
Bemerkenswert ist die Konstanz der Transmissionswerte der unterschiedlichen Schichten. Diese bleiben sowohl bei höheren Precursorgehalten bei der Beschichtung, als auch bei Mehrfachschichten kaum verändert.Remarkable is the constancy of the transmission values of the different layers. These hardly change at higher precursor contents during the coating, as well as at multilayers.
Experimenteexperiments
Im Folgenden werden die detaillierten Daten und Vorgehensweisen beschrieben, die im Rahmen der Syntheseprozesse durchgeführt werden müssen. Dabei wird jeder Syntheseschritt einzeln aufgelistet und beschrieben.The following describes the detailed data and procedures that must be performed in the synthesis process. Each synthesis step is listed and described individually.
Aufgrund der hohen Hydrolyse- und Oxidationsempfindlichkeit der verwendeten Verbindungen wurden alle Darstellungsarbeiten in einer modifizierten Stock'schen Vakuumapparatur unter getrocknetem, nachgereinigten Stickstoff durchgeführt (Trockenkolonnen mit Magnesiumperchlorat, Phosphorpentoxid und ABC-Katalysator).Due to the high sensitivity to hydrolysis and oxidation of the compounds used, all imaging was carried out in a modified Stock'schen vacuum apparatus under dried, purified nitrogen (dry columns with magnesium perchlorate, phosphorus pentoxide and ABC catalyst).
Die verwendeten Lösungsmittel wurden durch Refluxieren über Natrium getrocknet, destilliert und unter Stickstoffatmosphäre über Natriumdraht gelagert.The solvents used were dried by refluxing over sodium, distilled and stored under nitrogen atmosphere over sodium wire.
Synthese von InCl3 Synthesis of InCl 3
- [G. Brauer: Handbuch der Präparativen und Anorganischen Chemie, Band II, F. Enke Verlag, Stuttgart, 1978][G. Brauer: Handbook of Preparative and Inorganic Chemistry, Volume II, F. Enke Verlag, Stuttgart, 1978]
Metallisches Indiumgranulat (Aldrich, 99.999%) wird in einem Schmelztiegel in ein Reaktionsrohr gegeben, welches nach Herstellen eines Vakuums (Entfernen der Umgebungsluft) mit Stickstoffgas gespült wird. Anschließend wird das Rohr mit Chlorgas geflutet und das Indiumgranulat mit einem Rohrofen auf 300°C erhitzt. Das Chlorgas wird vor dem Einleiten zur Trocknung durch eine Spülflasche mit konz. Schwefelsäure geleitet. Durch eine Transportreaktion verbindet sich das geschmolzene/dampfförmige Indium mit dem Chlor zu Indium-(III)-Chlorid (InCl3) und fällt durch den Chlorgasstrom abseits des Schmelztiegels als weißes, kristallines Pulver aus. Nach Beendigung der Reaktion und Abkühlen des Reaktionsrohrs wird das noch verbleibende Chlorgas mit Stickstoff entfernt. Das gebildete InCl3 kann unter inerten Bedingungen (N2) in einem Auffangkolben gesammelt werden.Metallic indium granules (Aldrich, 99.999%) are placed in a crucible in a reaction tube which is purged with nitrogen gas after creating a vacuum (removal of ambient air). Subsequently, the tube is flooded with chlorine gas and the indium granules are heated to 300 ° C with a tube furnace. The chlorine gas is passed through a rinsing bottle with conc. Passed sulfuric acid. By a transport reaction, the molten / vaporous indium combines with the chlorine to indium (III) chloride (InCl 3 ) and precipitated by the chlorine gas flow away from the crucible as a white, crystalline powder. After completion of the reaction and cooling of the reaction tube, the remaining chlorine gas is removed with nitrogen. The formed InCl 3 can be collected under inert conditions (N 2 ) in a collecting flask.
Synthese von Me2InClSynthesis of Me 2 InCl
- [H. C. Clark, A. L. Pickard, J. Organometal. Chem., 1967, 8, 427–434][H. C. Clark, A.L. Pickard, J. Organometal. Chem., 1967, 8, 427-434]
Zu einer Suspension von Indium-(III)-Chlorid (InCl3) in Diethylether wird unter ständigem Rühren die doppelte stöchiometrische Menge an Methyllithium (1.6 M in Diethylether, Aldrich) langsam zugetropft und die Reaktionslösung 2 Tage lang bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abfiltrieren des LiCl-Niederschlags und Entfernen des Lösungsmittels unter reduziertem Druck wird das verbleibende Produkt bei 110°C im Vakuum sublimiert.To a suspension of indium (III) chloride (InCl 3 ) in diethyl ether, the double stoichiometric amount of methyllithium (1.6 M in diethyl ether, Aldrich) is slowly added dropwise with continuous stirring and the reaction solution is stirred for 2 days at room temperature. After filtering off the LiCl precipitate and removing the solvent under reduced pressure, the remaining product is sublimed at 110 ° C in vacuo.
Synthese von Li(OtBu)Synthesis of Li (OtBu)
- [H. Nekola, F. Olbrich, U. Gehrens, Z. Anorg. Allg. Chem. 2002, 628, 2067–2070][H. Nekola, F. Olbrich, U. Gehrens, Z. Anorg. Gen. Chem. 2002, 628, 2067-2070]
Zu einer Lösung von tert.-Butanol in Hexan tropft man langsam tert.-Butyllithium (2.5 M in Hexan, äquimolar, Aldrich) hinzu und lässt das entstehende Butan entweichen. Nach einer Stunde kochen unter Rückfluss wird das Lösungsmittel eingeengt und der verbleibende weiße Feststoff bei 120°C im Vakuum sublimiert.To a solution of tert-butanol in hexane is slowly added dropwise tert-butyllithium (2.5 M in hexane, equimolar, Aldrich) and allowed to escape the resulting butane. After boiling for one hour under reflux, the solvent is concentrated and the remaining white solid is sublimed at 120 ° C in vacuo.
Synthese von Me2In(OtBu) Synthesis of Me 2 In (OtBu)
- [z. B. O. T. Beachley Jr., D. J. MacRae, M. R. Churchill, A. Y. Kovalevski, E. S. Robirds, Organometallics, 2003, 22, 3991–4000][Z. O.T. Beachley Jr., D.J. MacRae, M.R. Churchill, A.Y. Kovalevski, E.S. Robirds, Organometallics, 2003, 22, 3991-4000].
Zu einer Lösung von Me2InCl in Diethylether tropft man unter ständigem rühren eine äquimolare LiOtBu-Lösung in Diethylether und rührt das Reaktionsgemisch für 12 Stunden. Nach Abfiltrieren des LiCl-Niederschlags wird das Lösungsmittel unter reduziertem Druck entfernt und der verbleibende, wachsartige Feststoff bei 35°C durch Sublimation direkt in einen Auffangkolben überführt („Flask-to-Flask-Sublimation”).To a solution of Me 2 InCl in diethyl ether is added dropwise with constant stirring an equimolar LiOtBu solution in diethyl ether and the reaction mixture is stirred for 12 hours. After filtering off the LiCl precipitate, the solvent is removed under reduced pressure and the remaining, waxy solid at 35 ° C by sublimation directly into a receiving flask transferred ("Flask-to-Flask sublimation").
Synthese von LiN(SiMe3)2 Synthesis of LiN (SiMe 3 ) 2
- [U. Wannagat, H. Niederprüm, Chem. Ber. 1961, 94, 1540][U. Wannagat, H. Niederprüm, Chem. Ber. 1961, 94, 1540]
Eine Lösung von tert.-Buthyllithium (1.6 M in Hexan, Aldrich) wird zu einer äquimolaren Menge von 1,1,1,3,3,3-Hexamethyldisilazan (Aldrich) zugetropft und das entstehende Butan entweichen lassen. Nach zwei Stunden Kochen unter Rückfluss wird die Reaktionslösung 24 Stunden bei –30°C gelagert. Nach Ausbildung von Kristallen wird das überschüssige Lösungsmittel entfernt und die Kristalle im Vakuum getrocknet.A solution of tert-butyllithium (1.6 M in hexane, Aldrich) is added dropwise to an equimolar amount of 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane (Aldrich) and the resulting butane is allowed to escape. After refluxing for two hours, the reaction solution is stored at -30 ° C for 24 hours. After crystals have formed, the excess solvent is removed and the crystals are dried in vacuo.
Synthese von Sn(N(SiMe3)2)2 Synthesis of Sn (N (SiMe 3 ) 2 ) 2
- [M. Veith, Angew Chem 1975, 87, 287–288][M. Veith, Angew Chem 1975, 87, 287-288]
Zu einer Lösung von LiN(SiMe3)2 in Diethylether wird Zinn-(II)-Chlorid (SnCl2, Aldrich) in halbem stöchiometrischem Verhältnis zugegeben, wodurch sich die Lösung rot färbt. Nach 4 h rühren wird von LiCl-Niederschlag abfiltriert und das Lösungsmittel abgezogen. Das verbleibende Produkt wird anschließend bei 130°C im Vakuum destilliert.To a solution of LiN (SiMe 3 ) 2 in diethyl ether, tin (II) chloride (SnCl 2 , Aldrich) is added in half stoichiometric ratio, whereby the solution turns red. After stirring for 4 h is filtered off from LiCl precipitate and the solvent evaporated. The remaining product is then distilled at 130 ° C in vacuo.
Synthese von Sn(OtBu)2 Synthesis of Sn (OtBu) 2
- [M. Veith, F. Töllner, J. Organomet. Chem. 1983, 246, 219][M. Veith, F. Töllner, J. Organomet. Chem. 1983, 246, 219]
Zu einer Lösung von Sn(N(SiMe3)2)2 in Toluol wird bei Raumtemperatur die doppelte stöchiometrische Menge an tert.-Butanol zugetropft, wodurch sich die vormals rote Lösung entfärbt. Nach zwei Stunden rühren wird das restliche Lösungsmittel zusammen mit dem verbliebenen Hexamethyldisilazan unter reduziertem Druck entfernt und der verbleibende weiße Rückstand bei 60°C sublimiert.At room temperature, twice the stoichiometric amount of tert-butanol is added dropwise to a solution of Sn (N (SiMe 3 ) 2 ) 2 in toluene, whereby the previously red solution is decolorized. After stirring for two hours, the residual solvent is removed together with the remaining hexamethyldisilazane under reduced pressure and the remaining white residue is sublimed at 60 ° C.
Synthese von Me2In(OtBu)3SnSynthesis of Me 2 In (OtBu) 3 Sn
Zu einer Lösung von Me2InOtBu in Toluol wird eine Lösung von Sn(OtBu)2 in Toluol zugetropft und die Reaktionslösung 12 Stunden unter Rückfluss gekocht. Nach Entfernen des Lösungsmittels unter reduziertem Druck wird das verbleibende Produkt bei 70°C im Vakuum destilliert.To a solution of Me 2 InOtBu in toluene, a solution of Sn (OtBu) 2 in toluene is added dropwise and the reaction solution is refluxed for 12 hours. After removal of the solvent under reduced pressure, the remaining product is distilled at 70 ° C in vacuo.
Herstellung einer Precursorzusammensetzung mit 10 at% SnPreparation of a precursor composition with 10 at% Sn
Es werden 6.39 g Me2InOtBu in 80 ml Toluol gelöst. In einem zweiten Kolben löst man 0.86 g Sn(OtBu)2 in 30 ml Toluol und tropft diese unter ständigem Rühren zur Me2InOtBu-Lösung hinzu. Das Reaktionsgemisch wird 12 Stunden unter Rückfluss bei 110°C gerührt. Anschließend entfernt man das Lösungsmittel unter reduziertem Druck (10–3 mbar). Das verbleibende Produkt wird nun im Vakuum bei 70°C destilliert. Der Auffangkolben wird dabei mit einem Aceton-Trockeneis von außen gekühlt. Man erhält 6.595 g Precursor (Massenausbeute: 91%)There are dissolved 6.39 g of Me 2 InOtBu in 80 ml of toluene. In a second flask, 0.86 g of Sn (OtBu) 2 is dissolved in 30 ml of toluene and added dropwise to the Me 2 InOtBu solution with constant stirring. The reaction mixture is stirred at 110 ° C for 12 hours under reflux. Then the solvent is removed under reduced pressure (10 -3 mbar). The remaining product is then distilled in vacuo at 70 ° C. The collecting flask is cooled from the outside with an acetone dry ice. 6.595 g of precursor are obtained (mass yield: 91%)
Herstellung einer Precursorzusammensetzung mit 6 at% SnPreparation of a precursor composition with 6 at% Sn
Es werden 2.624 g Me2InOtBu in 50 ml Toluol gelöst. In einem zweiten Kolben löst man 0.204 g Sn(OtBu)2 in 25 ml Toluol und tropft diese unter ständigem Rühren zur Me2InOtBu-Lösung hinzu. Das Reaktionsgemisch wird 12 Stunden unter Rückfluss bei 110°C gerührt. Anschließend entfernt man das Lösungsmittel unter reduziertem Druck (10–3 mbar). Das verbleibende Produkt wird nun im Vakuum bei 70°C destilliert. Der Auffangkolben wird dabei mit einem Aceton-Trockeneis von außen gekühlt. Man erhält 2.554 g Precursor (Massenausbeute: 90,3%)2,624 g of Me 2 InOtBu are dissolved in 50 ml of toluene. In a second flask was dissolved 0.204 g Sn (OtBu) 2 in 25 ml toluene and added dropwise with continuous stirring to this InOtBu Me 2 solution was added. The reaction mixture is stirred at 110 ° C for 12 hours under reflux. Then the solvent is removed under reduced pressure (10 -3 mbar). The remaining product is then distilled in vacuo at 70 ° C. The collecting flask is cooled from the outside with an acetone dry ice. This gives 2,554 g of precursor (mass yield: 90.3%)
Herstellung einer Zusammensetzung für Beschichtungen (0.4 M Precursorzusammensetzung; 10 at% Sn mit Diacetonalkohol) Preparation of a Coating Composition (0.4 M Precursor Composition; 10 at% Sn with Diacetone Alcohol)
Es werden 6.595 g Precursor (10 at% Sn) in 50 ml Isopropanol aufgelöst und gerührt, um eine 0.5923 molare Stammlösung zu erhalten. Anschließend entnimmt man 2 ml der Lösung und gibt 0.96 ml Diacetonalkohol (Daa) hinzu, damit man eine 0.4 M Precursorlösung erhält.There are 6.595 g of precursor (10 at% Sn) dissolved in 50 ml of isopropanol and stirred to obtain a 0.5923 molar stock solution. Then, 2 ml of the solution are taken off and 0.96 ml of diacetone alcohol (Daa) are added to obtain a 0.4 M precursor solution.
Vorbereitung der SubstratePreparation of the substrates
Zugeschnittene Glassubstrate aus Borosilikatglas (Schott, Borofloat 33, Dicke: 3 mm, 60 × 60 mm2) wurden durch Aufschlämmung von Ceroxidpulver poliert und anschließend in einer Laborspülmaschine gereinigt, wobei als letzter Spülgang mehrfach mit deionisiertem Wasser gespült wird.Borosilicate glass cut glass substrates (Schott, Borofloat 33, thickness: 3 mm, 60 × 60 mm 2 ) were polished by slurry of ceria powder and then cleaned in a laboratory dishwasher with final rinsing with deionized water several times.
Beschichtung eines Borofloat-Substrates mit Zusammensetzung (0.4 M Precursorzusammensetzung; 10 at% Sn; Daa)Coating of a Borofloat Substrate with Composition (0.4 M Precursor Composition; 10 at% Sn; Daa)
Man rührt die Beschichtungslösung für zwei Stunden bei Raumtemperatur und filtriert die Lösung mit einem Spritzenfilter. Das Glassubstrat wird durch Unterdruck auf dem Chuck des Spincoaters fixiert. Mit einer Pipette entnimmt man 0.7 μl der Beschichtungslösung und gibt sie auf die Mitte des Substrats. Anschließend lässt man das Substrat für 20 Sekunden bei 1000 rpm rotieren, wodurch sich die Beschichtungslösung gleichmäßig auf dem Substrat verteilt. Nach Beendigung des Rotiervorgangs löst man die Unterdruckfixierung des Substrats und lässt die nasse Schicht ruhen, bis der Lösungsfilm angetrocknet ist. Anschließend kann die Probe in horizontaler Lage verbleibend im Ofen getempert werden.Stir the coating solution for two hours at room temperature and filter the solution with a syringe filter. The glass substrate is fixed by vacuum on the chuck of the spin coater. Using a pipette, remove 0.7 μl of the coating solution and place it on the center of the substrate. Subsequently, the substrate is rotated for 20 seconds at 1000 rpm, whereby the coating solution is evenly distributed on the substrate. After completion of the rotation, the vacuum fixation of the substrate is released and the wet layer is allowed to rest until the solution film has dried. Subsequently, the sample can be annealed in a horizontal position remaining in the oven.
Temperaturbehandlung in zwei SchrittenTemperature treatment in two steps
Die beschichteten Substrate werden in einem Luftofen für 12 h bei 500°C getempert (flach liegend). Nachdem die Proben abgekühlt sind, werden sie in einem horizontalen Kieselglas-Rohrofen für 30 Minuten bei 300°C in einer Formiergasatmosphäre (N2/H2 = 92/8) reduziert.The coated substrates are annealed in an air oven for 12 h at 500 ° C (lying flat). After the samples have cooled, they are in a horizontal quartz glass tube furnace for 30 minutes at 300 ° C in a forming gas (N 2 / H 2 = 92/8) reduced.
Temperaturbehandlung unter InertatmosphäreTemperature treatment under inert atmosphere
Die Schichten werden nach dem Beschichtungsprozess in den Rohrofen gegeben und für 12 h bei 500°C mit N2-Spülung getempert (50 1/h).The layers are given after the coating process in the kiln and for 12 h at 500 ° C with N 2 purge annealed (50 1 / h).
Herstellung einer Pulverprobe aus einer 0.4 M Beschichtungslösung (10 at% Sn + Daa)Preparation of a powder sample from a 0.4 M coating solution (10 at% Sn + Daa)
Aus einer 0.4 M Precursorzusammensetzung entnimmt man 30 ml und gibt diese in ein Becherglas. Unter ständigem rühren wird das Lösungsmittel bei 50°C an Luft entfernt. Anschließend wird das entstandene Pulver mit einem Hartmörser gemahlen und in einem Pulvertiegel in den Ofen gegeben und mit einem der vorstehend beschriebenen Temperaturbehandlungen behandelt.From a 0.4 M precursor composition, take 30 ml and place it in a beaker. With constant stirring, the solvent is removed at 50 ° C in air. Subsequently, the resulting powder is ground with a hard mortar and placed in a powder crucible in the oven and treated with one of the temperature treatments described above.
Liste der zitierten Literatur:List of quoted literature:
- G. Brauer: Handbuch der Präparativen und Anorganischen Chemie, Band II, F. Enke Verlag, Stuttgart, 1978
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Tabelle 5
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